Датчики температуры. Часть третья. Термопары. Эффект Зеебека

Термопара. Краткая история создания, устройство, принцип работы

Внешне термопара устроена очень просто: две тоненькие проволочки просто сварены между собой в виде аккуратного маленького шарика. Некоторые современные цифровые мультиметры китайского производства комплектуются термопарой, которая позволяет измерять температуру не менее, чем до 1000°C, что дает возможность проверить температуру нагрева паяльника или утюга, которым собираются пригладить лазерную распечатку к стеклотекстолиту, а также во многих других случаях.

Конструкция такой термопары очень проста: оба проводка спрятаны в трубку из стекловолокна, и при этом даже не имеют заметной на глаз изоляции. С одной стороны проволочки аккуратно сварены, а с другой имеют вилку для подключения к прибору. Даже при таком примитивном исполнении результаты измерения температуры особых сомнений не вызывают, если, конечно, не требуется точность измерения класса 0,5°C и выше.

В отличии от только что упомянутых китайских термопар, термопары для применения в промышленных установках имеют конструкцию более сложную: собственно измерительный участок термопары помещается в металлический корпус. Внутри корпуса термопара находится в изоляторах, как правило, керамических, рассчитанных на высокую температуру.

Вообще термопара является самым распространенным и самым старым термодатчиком. Ее действие основывается на эффекте Зеебека, который был открыт еще в 1822 году. Для того, чтобы ознакомиться с этим эффектом, мысленно соберем несложную схему, показанную на рисунке 1.

Рисунок 1.

На рисунке показаны два разнородных металлических проводника М1 и М2, концы которых в точках А и В просто сварены между собой, хотя везде и всюду эти точки называются почему-то спаями. Кстати, многие домашние умельцы-кустари для самодельных термопар, предназначенных для работы при не очень высоких температурах, вместо сварки пользуются как раз пайкой.

Вернемся снова к рисунку 1. Если вся эта конструкция будет просто лежать на столе, то эффекта от нее не будет никакого. Если же один из спаев чем-нибудь нагреть, ну хотя бы спичкой, то в замкнутой цепи из проводников М1 и М2 потечет электрический ток. Пусть он будет весьма слабым, но все-таки он будет.

Чтобы в этом убедиться, достаточно в этой электрической цепи разорвать один провод, причем любой, и в получившийся разрыв включить милливольтметр, желательно со средней точкой, как показано на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2.

Рисунок 3.

Если теперь один из спаев нагреть, например спай А, то стрелка прибора отклонится в левую сторону. При этом температура спая A будет равняться TA = TB + ΔT. В этой формуле ΔT = TA – TB есть разность температур между спаями A и B.

На рисунке 3 показано, что будет, если нагреть спай B. Стрелка прибора отклонится в другую сторону, причем в обоих случаях, чем больше будет разность температур между спаями, тем на больший угол отклонится стрелка прибора.

Описанный опыт как раз иллюстрирует эффект Зеебека, смысл которого в том, что если спаи проводников A и B имеют разные температуры, то между ними возникает термоэдс, величина которой пропорциональна разности температур спаев. Не следует забывать, что именно разности температур, а не какой-то температуре вообще!

Если же оба спая имеют одинаковую температуру, то никакой термоэдс в цепи не будет. При этом проводники могут находиться при комнатной температуре, нагреты до нескольких сот градусов, или на них будет воздействовать отрицательная температура – все равно никакой термоэдс получено не будет.

Что же меряет термопара?

Предположим, что один из спаев, например A, (обычно его называют горячим) поместили в сосуд с кипящей водой, а другой спай B (холодный) остался при комнатной температуре, например, 25°C. Именно 25°C в учебниках физики считается нормальными условиями.

Температура кипения воды в нормальных условиях 100°C, поэтому выработанная термопарой термоэдс, будет пропорциональна разности температур спаев, которая в этих условиях составит всего 100 -25 = 75°C. Если же температура окружающей среды будет изменяться, то и результаты измерений будут больше походить на цену на дрова, нежели на температуру кипящей воды. Как же получить правильные результаты?

Вывод напрашивается сам собой: нужно холодный спай охладить до 0°C, тем самым задав нижнюю опорную точку шкалы температуры по Цельсию. Проще всего это сделать, поместив холодный спай термопары в сосуд с тающим льдом, ведь именно эта температура принята за 0°C. Тогда в предыдущем примере все будет правильно: разница температур горячего и холодного спаев составит 100 – 0 = 100°C.

Конечно, решение простое и верное, но каждый раз искать где-то сосуд с тающим льдом и длительное время в таком виде его сохранять, просто технически невозможно. Поэтому вместо льда применяются различные схемы компенсации температуры холодного спая.

Как правило, полупроводниковым датчиком измеряется температура в зоне холодного спая, а уже электронная схема добавляет этот результат в общее значение температуры. В настоящее время выпускаются специализированные микросхемы для термопар, имеющие встроенную схему компенсации температуры холодного спая.

В ряде случаев для упрощения схемы в целом можно от компенсации просто отказаться. Простой пример терморегулятор для паяльника: если паяльник постоянно в руках, то, что мешает чуть подкрутить регулятор, убавить или прибавить температуру? Ведь тот, кто умеет паять, видит качество пайки и вовремя принимает решения. Схема такого терморегулятора достаточно проста и показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема простого терморегулятора (для увеличения нажмите на рисунок).

Как видно из рисунка схема достаточно проста и не содержит дорогих специализированных деталей. Ее основу составляет отечественная микросхема К157УД2 – сдвоенный малошумящий операционный усилитель. На ОУ DA1.1 собран собственно усилитель сигнала термопары. При использовании термопары TYPE K при нагреве до 200 – 250°C выходное напряжение усилителя достигает порядка 7 – 8В.

На второй половине ОУ собран компаратор, на инвертирующий вход которого подано напряжение с выхода усилителя термопары. На другой – задающее напряжение с движка переменного резистора R8.

 Пока напряжение на выходе усилителя термопары меньше задающего напряжения на выходе компаратора удерживается положительное напряжение, поэтому работает схема запуска симистора T1, выполненная по схеме блокинг-генератора на транзисторе VT1. Поэтому симистор T1 открывается и через нагреватель EK проходит электрический ток, отчего возрастает напряжение на выходе усилителя термопары.

Как только это напряжение чуть превысит задающее напряжение, на выходе компаратора появляется напряжение отрицательного уровня. Поэтому транзистор VT1 запирается и блокинг-генератор перестает вырабатывать управляющие импульсы, что приводит к закрытию симистора T1, и охлаждению нагревательного элемента. Когда напряжение на выходе усилителя термопары станет несколько меньше задающего напряжения. весь цикл нагрева повторяется снова.

Для питания такого терморегулятора понадобится маломощный блок питания с двух полярным напряжением +12, -12 В. Трансформатор Тр1 выполнен на ферритовом кольце типоразмера К10*6*4 из феррита НМ2000. Все три обмотки содержат по 50 витков провода ПЭЛШО-0,1.

Несмотря на простоту схемы, работает она достаточно надежно, а собранная из исправных деталей требует лишь настройки температуры, которую можно определить, используя хотя бы китайский мультиметр с термопарой.

Материалы для изготовления термопар

Как уже было сказано, термопара содержит два электрода из разнородных материалов. Всего имеется около десятка термопар различных типов, по международному стандарту обозначаемых буквами латинского алфавита.

Каждый тип имеет свои характеристики, что в основном обусловлено материалами электродов. Например, достаточно распространенная термопара TYPE K изготовлена из пары хромель – алюмель. Ее диапазон измерений – 200 – 1200 °C, коэффициент термоэдс в диапазоне температур 0 – 1200 °C 35 – 32 мкВ/°C, что говорит о некоторой нелинейности характеристики термопары.

При выборе термопары в первую очередь следует руководствоваться тем, чтобы в измеряемом диапазоне температур нелинейность характеристики была бы минимальной. Тогда погрешность измерений будет не столь заметна.

Если термопара находится на значительном удалении от прибора, то подключение должно производиться с помощью специального компенсационного провода. Такой провод выполнен из таких же материалов как сама термопара, только, как правило, заметно большего диаметра.

Для работы при более высоких температурах часто применяются термопары из благородных металлов на основе платины и платиново-родиевых сплавов. Такие термопары несомненно дороже. Материалы для электродов термопар изготавливаются согласно стандартам. Все разнообразие термопар можно найти в соответствующих таблицах в любом хорошем справочнике.

Продолжение читайте в следующей статье – Еще несколько видов термодатчиков: полупроводниковые датчики, датчики для микроконтроллеров

Борис Аладышкин